那些年你啃过的ConcurrentHashMap
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2022-05-19 21:02
前言
最近迷上了并发编程。并发这玩意怎么说呢，就是你平时工作用不到，一用就用在面试上。这不，又卷起了并发容器。
那说起并发容器，你一定也知道那几个，CopyOnWriteArrayList、并发队列BlockingQueue，等等。但是作为面试的典中典，聊到并发容器就无法绕开ConcurrentHashMap。
由于篇幅原因，这篇文章不会具体解释那些较为基础的问题，比如为什么散列表数组的长度一定要是2的n次方等。将更多围绕并发这个话题。如有需要，之后会另外讲解。
所以本文我们就来深入聊聊这个大厂面试青睐的对象，八股文里的兰博基尼：ConcurrentHashMap。
以下的技术点都基于JDK1.8~
基础回顾
我们都知道，从JDK1.8起，ConcurrentHashMap底层的数据结构就已经从原来的Segment分段锁变为了数组 + 链表 + 红黑树的形态。
它是一款并发容器，一款装数据的容器在并发环境下铁定就会有各种各样的问题。你在单线程环境下玩单机，并发环境下就会有别的线程和你抢数据，抢桶位。因此编写JUC包的大神Doug Lea也都为这些场景一一做了适配，可以说是绝对的并发安全，至少运行了这么多年了也没遇到什么bug。
红黑树
红黑树数据结构
JDK1.8这里的红黑树，准确的来说是一个TreeBin代理类，它作为红黑树的具体实现起存储作用，而TreeNode是封装红黑树的数据结构，所以你可以理解TreeBin就是封装TreeNode的一个容器。
红黑树在ConcurrentHashMap里面的体现是一个双向链表：
红黑树插入数据
在这里，红黑树维护一个字段dir。
在插入数据的时候会获取节点的hash值，从而与当前节点p的hash值比较，若插入节点的hash小于当前节点，则dir的值为-1，否则为1：
多线程竞争下的读写操作
由于读操作本身就是天然线程安全的。所以多个线程对同一个桶位同时读并不会有什么问题。
但若是相互竞争的写操作，就是通过Synchronized锁的方式来保证某个桶位同一时刻只有一个线程能获取到资源。
通过源码可以看到，put()方法的核心是putVal():
putVal()很长，它主要是通过Synchronized去锁住每一个节点保证并发的安全性。在这里最为重要的两点，一是判断你put进去的这个元素，是处于链表还是处于红黑树上；二就是判断当前插入的key是否与链表或者红黑树上的某个元素一致。如果当前插入key与链表当中所有元素的key都不一致时，那么当前的插入操作就追加到链表的末尾。否则就替换掉key对应的value。
扩容原理
在知道扩容原理之前，得知道什么情况会导致扩容。
因此需要知道的两个重要字段：
MIN_TREEIFY_CAPACITY ：数组初始长度，默认为64 TREEIFY_THRESHOLD ：树化阈值，指定桶位链表长度达到8的话，就可能发生树化操作
线程往桶里面新增每一个元素，都会对链表的长度进行判断，只有元素个数大于阈值MIN_TREEIFY_CAPACITY并且链表长度大于8，才会调用treeifyBin()把链表转化为红黑树，否则就会进行扩容操作。
这里的扩容，指的就是扩大数组的桶个数，从而装下更多的元素。
除此之外，扩容还维护了另一重要的字段，sizeCtl：
通过翻译，我们可以知道这个字段有三种状态：
sizeCtl < 0：若为-1则起标记作用，告知其它线程此时正在初始化；若为其它的值表示当前table正在扩容 sizeCtl = 0：表示创建table数组时还未进行扩容，没有指定的初始容量 sizeCtl > 0：表示当table初始化后下次扩容的触发条件
字段的值可以转化为32位的二进制数值，它的高16位表示扩容标识戳，用来标识扩容的范围，如从长度16扩容到32；低16位表示当前参与扩容的线程数量。
扩容操作会新建一个长度更大的数组，然后将老数组上的元素全部迁移到新的数组去。
扩容的本质目的是为了减少桶位链表的长度，提高查询效率。因为链表的查询复杂度是O(n)，如果链表过长就会影响查询效率。
假设桶位的长度从16扩容到32，说明桶位变多了，那迁移到新数组后就需要有元素去到新的桶位。这就需要通过一些算法将老数组和新数组的元素位置做一个映射。因为扩容后元素有的需要迁移到新的位置，有的还是处于和老数组一样的位置，只不过是换了一个数组。
如何计算出这个元素迁移后要呆在哪个桶位呢？这里使用了一个按位与的算法。就是将这个桶位key的hash值 & (扩容前数组长度 - 1)，若生成的值等于0则不需要迁移，否则就要进行迁移。并且维护两个变量ln和hn代表是否需要进行位置迁移。然后采用尾插法将元素插入。这就是LastRun机制。
注：尾插法指的就是后面插入的元素都处于前一个元素的后面
这里简单普通的扩容是没什么问题的，大多数场景都和HashMap的扩容是一样的。
问题就在于当前是处于并发环境的，而扩容也需要时间。
正在扩容 && 有多个线程正在竞争
所以，比较复杂的场景来了。若是桶位正在扩容，且有多个线程正在竞争读写咋办？厚礼谢
没关系，我们依然分情况来讨论。
扩容期间的读操作
如果扩容期间，有线程进行元素的读取，比如你去get()某个key的value，那读不读的到呢？
答案是可以。但是前提是你这个节点已经迁移结束，如果你是一个正在扩容迁移的节点，那就访问不到。
具体的操作，就是去调用find()。
当一个桶位要进行数据迁移，就会往这个桶位上放置一个ForwardingNode节点。除此之外还需要去标识这个节点是正在迁移还是已经迁移结束了的；
在这里我们统称迁移前的桶位节点叫老节点，迁移后的桶位节点叫新节点。当其中某一个节点迁移完成后，就会在老节点上添加一个fwd引用，它指向新节点的地址。
所以当某个线程访问了这个节点，看到它上面存在fwd引用，就说明当前table正在扩容，那么就会根据这个引用上的newtable字段去新数组的对应桶位上找到数据然后返回。
扩容期间的写操作
写操作相较于读操作会更加复杂一点，原因就是读操作只需要获取对应数据返回就行了，而写操作还要修改数据，所以当一个写线程来修改数据刚好碰到容器处于扩容期间，那么它还要协助容器进行扩容。
具体的扩容操作依然还要分情况，假如访问的桶位数据还没有被迁移走的话，那就直接竞争锁，然后在老节点上进行操作就行。
但是假如线程修改的节点正好是一个fwd节点，说明当前节点正处于扩容操作，那么为了节约线程数并且快速完成任务，当前线程就会进行协助扩容。如果有多个线程进行同时写，那么它们都会调用helpTransfer()进行协助扩容。
这里协助扩容的方式就是拿到一个扩容标识戳，这个标识戳的作用就是用来标识扩大的容量大小。因为每个线程都是独立的嘛，互不通信，但是它们要做的事情是相同的，就是将桶位扩大相同的值，所以它们就必须拿到这个相同的标识戳，只有标识戳一致才会进行扩容。
假设一个容器从16个桶位扩容到32个桶位，有线程A、B两个线程。
若A触发了扩容的机制，那么线程A就会进行扩容，此时线程B也来进行写操作，发现正在扩容就会进入到协助扩容的步骤中去。
所以线程A和线程B共同负责桶位的扩容。
一个线程负责扩容的桶位个数，是根据CPU核心数来算的。最少是16个，也就是一个线程最少要负责16个元素的扩容：
我们在上面有提过，sizeCtl转化为32位后，它的低16位是表示当前参与扩容的线程数量。所以当A线程触发了扩容之后，它就会将sizeCtl低16位的最后一位值+1，表示扩容线程多了一位，当它退出扩容时又会将最后一位的值-1，表示扩容线程少了一位，就这样各个线程共同维护这个字段。
所以你一定会好奇了：那我要是最后一个退出扩容的线程要怎么维护啊？是的，最后一个线程还有一些别的事情要做。当某一个线程完成任务后去判断sizeCtl的值得时候，发现它的低16位只剩下最后一位是1，再减下去就是0了，那就代表它是最后一个退出扩容的线程。此时它还需要去检查一遍老的table数组，判断是否还有遗漏的slot没有迁移。具体的操作就是去轮询检查是否还留有fwd节点，如果没有的话代表迁移完成，如果有的话还需要继续将它迁移到新的桶位。
由于源码非常长，所以我们就不贴全部源码了，通过流程图的方式来帮助大家理解这个扩容期间的操作：
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